Materialprüfung und Baustoffkunde für den Maschinenbau: Ein Lehrbuch und Leitfaden für Studierende und Praktiker [Reprint 2019 ed.] 9783486750478, 9783486750454

Table of contents :
Vorwort
Inhaltsverzeichnis
Abschnitt AA. Allgemeines
Abschnitt BB. Die Technik der Untersuchung
Abschnitt CC. Die Eigenschaften der Metalle
Äutorenverzeichnis
Sachverzeichnis

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MATERIALPRÜFUNG UND BAUSTOFPKUNDE FÜR DEN MASCHINENBAU EIN LEHRBUCH UND LEITFADEN FÜR STUDIERENDE UND PRAKTIKER

VON

PROF. DR.-ING. WILLY MÜLLER REGIERUNGSBAURAT A.D.

MIT 315 ABBILDUNGEN

MÜNCHEN UND BERLIN 1924 DRUCK UND VERLAG VON R. OLDENBOURG

Alle Redite, einschließlich des Übersetzungsrechtes, vorbehalten Copyright 1924 by R. Oldenbourg, Mündien

„Es Wer Und Und Legt

ist eine mächtige Zeit, durchpulst von gesteigertster Kraft. das erschauernd gefühlt, der wird sich bewundernd ihr neigen, ist er einmal hinein in den krausenden Strudel gerafft, hat er gefühlt, daß er Kind'seiner Zeit — dann, bis sie erschlafft, er mit Hand an dasWerk des Jahrhunderts in staunendem Schweigen."

Joßn Henry Madiay. »Ein Lied der Zeit."

Vorwort. Das vorliegende Werk, welches ich hiermit der Öffentlichkeit übergebe, ist aus dem Bestreben entstanden, den Studierenden und Praktikern ein Buch an die Hand zu geben, das den Stoff nicht nur vom rein wissenschaftlichen Standpunkte aus betrachtet sondern auch aus der Fülle der Literatur die praktischen Momente hervorhebt und zusammenfaßt. Die Literatur über die Materialprüfung ist heute schon groß, aber sie hat für den im Betrieb tätigen Maschineningenieur vielfach den Nachteil, sich zu sehr in Einzelheiten zu verlieren, die für die praktische Prüfung kaum oder nur in Ausnahmefällen in Frage kommen. Die Werke über die Baustoffkunde gehen aber teilweise in der Theorie nicht weit genug, teilweise stellen sie sich auf einen rein wissenschaftlichen Standpunkt, wodurch der Stoff zu sehr belastet wird. Das vorliegende Werk erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit in der Behandlung der Materie; eine derartige Forderung würde auch bei dem heutigen Vorwärtsdrängen der Forschung auf dem großen Gebiete der Metallkunde nicht zu erfüllen sein. Trotzdem, glaube ich, wird es den Studierenden und Praktikern des Maschinenbaues wertvolle Unterlagen zur Erkenntnis der Metalleigenschaften und für die Durchführung der Konstruktionen bieten. Die Forderung des Tages geht nach größter Wirtschaftlichkeit in der Fabrikation; ohne genaueste Kenntnis der Eigenschaften der Baustoffe ist aber ihre Ausnutzung nicht denkbar. Daß diese Erkenntnis sich immer mehr Bahn bricht, ist zu begrüßen, und ich hoffe, daß auch mein Werk auf diese Weise zum Wiederaufbau unseres Vaterlandes beitragen wird. Die Arbeit kann als der Niederschlag meiner Vorlesungen über Materialprüfung, Metallographie und Metallkunde gelten, Gebiete, auf deren eingehendste Pflege an den technischen Lehranstalten unter den heutigen Wirtschaftsverhältnissen immer mehr Bedacht genommen werden muß, wenn das erwähnte Ziel erreicht werden soll. Bei der Abfassung des Werkes hat mich meine Assistentin, Fräulein Margarethe T i e t z , in vorbildlicher Weise unterstützt; ich bin ihr dafür zu besonderem Dank verpflichtet.

VI Ebenso schulde ich Dank den Firmen, die bei der Herausgabe des Buches durch Überlassung von Abbildungen und Druckstöcken behilflich waren; es sind dies folgende Firmen: Alfred J . Amsler & Co., Schaffhausen . . . . Düsseldorfer Maschinenbau Akt.-Ges., vormals J . Losenhausen,. Düsseldorf-Grafenberg. . . Mannheimer Maschinenfabrik Mohr & Federhaff, Mannheim Maschinenfabrik Augsburg-Nürnberg Akt.-Ges., Nürnberg Louis Schopper, Leipzig A. M. Erichsen, Berlin-Friedenau Schuchardt & Schütte, Berlin Siemens & Halske Akt.-Ges., Berlin . . . . Carl Zeiß, Jena Ernst Leitz, Wetzlar Metallographische Anstalt P. F. Dujardin & Cie., Düsseldorf R . Fueß, Berlin-Steglitz C. Reichert, Wien

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D a r m s t a d t , Juli 1922 B e r l i n , Dezember 1923.

Dr.-Ing. W. Müller.

Inhaltsverzeichnis. Seite

Vorwort Inhaltsverzeichnis Bezeichnungen der Eigenschaftswertc Abschnitt A A .

Allgemeines

A . Zweck und Ziel der Materialprüfung B . Richtlinien für die Anlage von Versuchsanstalten 1. Die Zentralabteilung 2. Die mechanisch-physikalische Abteilung 3. Die metallographisch-metallurgische Abteilung 4. Die chemische Abteilung C. Die Organisation des Prüfwesens in Fabrikbetrieben D . Die äußere Beschaffenheit der Materialien und ihre Probenentnahme . . . 1. Die Beurteilung der Baustoffe nach ihrer äußeren Beschaffenheit . . . . 2. Die Probenentnahme zum Zwecke der laufenden A b n a h m e 3. Die Probenentnahme zum Zwecke der Aufdeckung der Ursachen von Materialfehlern Abschnitt BB.

Die Technik der Untersuchung

I. Kapitel. Die mechanische Prüfung A. Die Festigkeitsprüfmaschinen 1. Allgemeine Anforderungen an die Festigkeitsprüfmaschinen 2 Der Bau der Festigkeitsprüfmaschinen a) Die Maschinen mit Hebelwage b) Die Maschinen mit Neigungswage c) Die Maschinen mit Laufgewichtswage d) Die Maschinen mit Manometer am Preßzylinder e) Die Maschinen mit Meßdose und Manometer 3. Die Eichung der Festigkeitsprüfmaschinen a) Die Eichung mit Kontrollhebel b) Die Eichung mit Kontrollmanometer c) Die Eichung mit Vergleichsmeßdose d) Die Eichung mit Kupferzylindern e) Die Eichung mit Kontrollstab f) Die Eichung mittels elastischer Volumenänderungen von Gefäßen B . Die Apparate zur Dehnungsmessung C. Die statischen Festigkeitsversuche 1. Der Zugversuch a) Die Abmessung der Probestäbe b) Das Schaubild des Zugversuches c) Der wirkliche Vorgang beim Zerreißversuch

III V XII i I 2 3 3 3 4 4 9 9 12 14 15 ig 15 15 17 17 18 19 23 24 26 26 27 27 27 28 30 31 35 35 35 37 41

VIII Seite

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II. III.

IV. V.

Die Ausführung des Zugversuches mit Feinmessungen Die Messung der Bruchdehnung Die Umrechnung der Dehnung auf andere Meßlängen Die Fließ- und Brucherscheinungen Die Einflüsse der Versuchsausführung a) Der Einfluß der Stablänge ß) Der Einfluß des Stabdurchmessers bei Rundstäben y) Der Einfluß der Querschnittsform

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B Ä H h) Die Einflüsse der Versuchsausführung, a)

Der Einflufs der

Stablänge.

Die Stablänge kann von großem Einfluß auf das Versuchsergebnis sein, wenn sie sehr klein gehalten wird, weil dadurch die Querzusammenziehung gehindert ist. Ein extremer Fall tritt dann auf, wenn der prismatische Teil des Probestabes zu einem Rund- oder Spitzkerb zusammenschrumpft. Für diesen Fall erhalten wir bedeutend höhere Festigkeits- und Dehnungswerte, dagegen sehr niedrige Querzusammenziehungsziffern. Versuche, die Dalby 1 ) für verschiedene Stablängen zwischen den Köpfen ausführte, zeigen deutlich den geschilderten Einfluß (Abb. 32). Es ergibt sich also hieraus der Satz, daß eine Erschwerung der Querzusammenziehung die Festigkeit an schein') D a l b y ,

S t a h l und E i s e n ,

1918,

S. 736.

49 bar erhöht. Die Beeinflussung der Festigkeit a„ reicht bis zu einer Versuchslänge, die dem Stabdurchmesser ungefähr gleich ist; darüber hinaus ändert sich aB nur noch wenig. — Für Nickelchromstänle untersuchte T h a l i n e r 1 ) ebenfalls diese Frage und fand für Stäbe von 20 mm Durchmesser bei einer Zerreißlänge von 500 mm eine Festigkeit von 48 kg/qmm, dagegen bei einer Länge von 10 mm bereits 62 kg/qmm; in ähnlicher Weise stieg auch die Streckgrenze an. Anders verhält sich nun die Dehnung, die auch bei größeren Versuchslängen noch weiter abnimmt, woraus sich wieder die Berechtigung und Notwendigkeit von der Einführung einer bestimmten Meßlänge ergibt.

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ß Abb. 71.

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Schema der Beleucbtungsarten.

zwischen Probe und Objektiv ein durchsichtiges Planparallelglas S eingeschaltet, welches das von der Seite einfallende Licht L auf 0 reflektiert, von wo es durch S hindurch in den Tubus zurückgeworfen wird. Der Nachteil dieser Methode beruht darin, daß ein Teil des Lichtes verloren geht, weil einmal beim ersten Auftreffen auf S Lichtstrahlen horizontal durch S hindurchgehen ; andrerseits wird ein Teil des von 0 reflektierten Lichtes von S nach der Lichtquelle zurückgeworfen und geht für den Durchgang durch den Tubus ebenfalls verloren. Um das Planparallelglas zwischen Probe und Objekt schalten zu können, muß ein genügender Abstand vorhanden sein, aus welchem Grunde man dieses Glas nur für schwache Vergrößerungen gebrauchen kann. Als dritte Beleuchtungsart wird die unter C dargestellte am häufigsten angewendet. Sie eignet sich für Beobachtungen bis zu sehr starken Vergrößerungen, die in der Metallmikroskopie bis zu 2000fach linear zur Anwendung gelangen. Mit Hilfe dieser Beleuchtungsart kann nämlich der Abstand des Objektes vom Objektiv beliebig eingestellt werden. Der Lichtstrahl L fällt durch eine kleine Öffnung seitlich im Tubus in diesen ein und trifft auf

94 ein kleines Glasprisma V, den „Vertikalilluminator", und wird von diesem durch das Objektiv auf die Probe geworfen. Der Schliff reflektiert den Lichtstrahl in den Tubus zurück, von wo er ins Auge fällt. Der Nachteil dieser Anordnung besteht einmal darin, daß der Vertikalilluminator auf das Licht schwächend einwirkt und durch die teilweise Verdeckung des Objektivquerschnittes einen Teil der Lichtstrahlen zurückhält; andrerseits muß hervorgehoben werden, daß trotz dieser Verdeckung das Gesichtsfeld kreisförmig und ohne sichtbare Störung durch den Vertikalilluminator erscheint. Bessere Bilder erhält man, wenn man an Stelle des Prismas ein kleines Planglas anwendet, das wie das Prisma in den Tubus eingebaut ist. Diese besonders für starke Objektive gern vorgenommene Abänderung bietet manche Vorteile hinsichtlich der Schärfe des Bildes.

2. Die Mikroskope und mikrophotographischen Apparate. In Abb. 72 ist ein Kugelmikroskop „Bauart Martens" dargestellt, wie es für Voruntersuchungen vielfach gebraucht wird. Es arbeitet mit der in Abb 71 dargestellten seitlich auffallenden Beleuchtung. Zu diesem Zwecke ist der Objekttisch auf der Unterseite kugelförmig ausgebildet und hierdurch in alle möglichen Lagen zur Tubusachse zu bringen. Das Stativ besitzt zwei Kugelgelenke, welche die freie Beweglichkeit des Tubus ermöglichen. Abb. 73 zeigt ein stereoskopisches Mikroskop „Bauart Greenough", allerdings mit einer Einrichtung für durchfallendes Licht. Trotzdem ist es für auffallendes Licht verwendbar, weil es auch nur für schwache Vergrößerungen gebraucht wird. Dieses Mikroskop benutzt man mit Vorteil für die Untersuchung von Bruchflächen u. dgl., die stark uneben sind, weil das Mikroskop durch seine stereoskopische Einrichtung ein körperliches Sehen ermöglicht. Für starke Vergrößerungen muß man ein normales großes Mikroskop verwenden. Abb. 74 gibt ein solches in der „Bauart Zeiß", wobei das große Stativ durch Einsetzen eines Vertikalilluminators für auffallendes Licht brauchbar gemacht wurde. Das normale Stativ steht auf einer besonderen Platte, welche die Kamera trägt. Die künstliche Beleuchtung wird durch eine elektrische Lampe erzeugt. Abb. 75 zeigt das große Metallmikroskop, „Bauart Martens-Zeiß", bei dem ein Spezialmikroskop in liegender Anordnung, das sog. MartensStativ, verwendet wird. Als Beleuchtungsquelle dient eine Bogenlampe 1, die mit dem Mikroskop 6 und den zwischengeschalteten Sammellinsen und anderen notwendigen Apparaten 2—5 auf einem Tisch montiert ist, während die Kamera zur Vermeidung von Erschütterungen auf einem anderen Tisch ruht, der rechtwinklig zum ersten Tische steht. Bei diesem Apparat ist die Aufspannung der Proben auf den senkrecht stehenden Objekttisch für den Anfänger etwas schwierig, wenn man ein in allen Teilen scharfes Bild auf der Mattscheibe der Kamera haben will. Zweckmäßig kittet man die Probe auf einen Glasobjektträger mit Plastilin auf, indem man zur Erzielung einer

Abb. 73-

Kugelmikroskop.

(Bauart Martens.)

Abb. 73.

Abb. 74.

Kleiner inikrophotographischet Apparat.

Stereoskopisches Mikroskop. (Bauart Greenoujjb,)

(Bauart ZeiB.)

96

genau horizontalen Lage der Schliffläche ein sauber gedrehtes Stück Rohr um die Probe auf den Objektträger setzt und die Probe nunmehr mit einer ebenen Platte soweit in das Plastilin eindrückt, bis die Platte zur Auflage auf das Distanzrohr kommt. Nach Abheben des Rohrabschnittes hat man

97

Abb. 77. M ü l l e r , Materialprüfung.

Mikrophotographischer Apparat.

(Bauart Leitz.)

7

98 die Gewähr, daß die Schliffläche genau parallel zur Objektträgerfläche steht. Bei dem großen Martens-Stativ empfindet der Anfänger den weitläufigen Bau des Apparates störend, der aber durch die mit ihm erreichbaren Vergrößerungen und Bildgrößen notwendig ist. Die vorzügliche Lichtstärke des Apparates muß noch hervorgehoben werden. Bei dem Martens-Mikroskop wurde bereits darauf hingewiesen, daß die Einstellung der Probe für den Ungeübten mit Schwierigkeiten verknüpft ist. Diesen Mangel suchen die folgenden Apparate zu umgehen, indem bei ihnen nach Abb. 76 die Probe auf einen durchbohrten horizontalen Tisch gelegt wird, wodurch jede Aufspannung fortfällt. Der Lichtstrahl fällt von

Abb. 78.

Mikrophotographischer Apparat (Bauart Reichert).

einer Bogenlampe durch ein Prisma Pr (Vertikalilluminator) und das Objektiv P, P1 auf den Schliff und wird von diesem auf das Objektiv zurück und mit Hilfe des Metallspiegels Sp in das Auge bzw. in die Kamera geworfen. Abb. 77 gibt einen derartigen Apparat „Bauart L e i t z " . Er hat den Vorzug, daß man durch das seitlich vor der Kamera angeordnete Okular beobachten kann, ohne die Kamera fortzunehmen. Die gedrungene Bauart ermöglicht eine leichte und bequeme Bedienung; allerdings ist die Lichtstärke nicht so groß wie beim Martens-Apparat, weil die zahlreich zwischengeschalteten Prismen, Linsen usw. das Licht schwächen. Die hochpolierte Metallplatte Sp muß wegen ihrer Empfindlichkeit besonders sorgfältig behandelt werden. Der Apparat besitzt eine Aufhängevorrichtung zur Vermeidung von Erschütterungen. Abb. 78 stellt das große Metallmikroskop „Bauart Reichert" dar, das auf demselben Prinzip wie das Leitz sehe beruht. Es besitzt den Vorteil, daß man durch einen Spiegelreflektor in der Kamera sich auch nach Einsetzen der Plattenkassette von der scharfen Einstellung überzeugen kann, indem man durch den drehbaren Reflektor das Bild auf die senkrecht zur Kassette seitlich angeordnete Mattscheibe werfen kann. Der Apparat von Le Chatelier-Duj ardin ist in seiner Anordnung den beiden letztgenannten ähnlich.

3. Die mikrophotographische Aufnahme. Für die mikrophotographische Aufnahme sind besondere Okulare, sog. Projektionsokulare zu verwenden. Je nach der Art des Schliffes und der

99 Größe der Helligkeit wendet man Buntfilter an und blendet das Licht durch die Irisblende des Vertikalilluminators ab. Nachdem man eine geeignete Stelle der Probe ausgesucht hat, wird die Mattscheibe gegen eine durchsichtige ausgewechselt, auf der man dann mit Hilfe einer Einstellupe die scharfe Einstellung vornimmt. Als Platte verwendet man möglichst eine orthochromatische und lichthoffreie. Die Belichtungsdauer beruht auf Erfahrung, weil sie sich nach der Plattenempfindlichkeit, der Art des Schliffes und der Lichtstärke richtet; letztere hängt von der Vergrößerung und der verwendeten Optik ab. Da es bei den Bildern auf möglichste Hervorhebung der Kontraste ankommt, so ist eine kräftige Entwicklung der Platten zu empfehlen. Die Vergrößerung wird durch Auswechseln der Probe gegen ein Metallobjektmikrometer festgestellt. Die auf der Mattscheibe sichtbare Millimeterteilung des Objektmikrometers wird ausgemessen und aus dem Vergleich mit der wahren Größe die lineare Vergrößerung berechnet.

VI. Kapitel. Die chemische Prüfung. Es würde über den Rahmen dieses Buches hinausgehen, wollte man eine Beschreibung der Methoden für die chemische Untersuchung der Metalle geben. Hierfür muß auf die Spezialliteratur verwiesen werden. Die Methoden sind die gewöhnlichen, wobei man vor allen Dingen besonderen Wert auf die sog. Schnellverfahren legen muß. Für Stahl und Eisen kommt hauptsächlich die Bestimmung von Kohlenstoff, Silizium, Mangan, Phosphor, Schwefel und Kupfer und bei Grauguß und getempertem Eisen noch Graphit und Temperkohle in Betracht. Während in den Roheisensorten noch Titan und Vanadium vorkommen können, finden wir in den Stählen oftmals Nickel, Chrom und Arsen; außerdem ist für Flußeisen die Ermittlung des chemisch gebundenen Sauerstoffes vielfach notwendig. Als weitere Legierungsbestandteile kommen noch Kobalt, Aluminium, Wolfram und Molybdän in Betracht. Für die sog. Metalle und deren Legierungen ist die Bestimmung von Arsen, Blei, Eisen, Kupfer, Mangan, Zink, Zinn, Antimon, Wismuth, Nickel, Kobalt, Schwefel, Phosphor, Cadmium, Magnesium, Silizium usw. erforderlich. Uber die Möglichkeit des Ersatzes chemischer Teilanalysen durch die metallographische Untersuchung, z. B. die Kohlenstoffbestimmung in Eisen und Stahl wird später das Weitere gesagt.

Äbschnitt CC. Die Eigenschaften der Metalle. I. Kapitel. Allgemeines über die Erstarrung und innere Umwandlung der Metalle. Zunächst erscheint es notwendig, daß wir uns einmal über die Vorgänge klar werden, die sich bei der Erstarrung einer flüssigen Schmelze, aber auch bei der Weiterverarbeitung durch Glühen, Kaltbearbeiten u. dgl. abspielen.

7*

100 R. Das Wesen einer Schmelze und ihre Erstarrung. (Primäre

Kristallisation.)

1. Das Wesen der Löslichkeit. Wir unterscheiden in der Hauptsache zwei Metallarten, die entweder durch die Gegenwart von nur einem Element oder von mehreren charakterisiert sind. Zu den ersteren gehören die reinen Metalle, zu den letzteren dagegen die Legierungen, sei es, daß bei diesen die einzelnen Komponenten gewollt oder als Verunreinigungen ungewollt vorhanden sind. Sind zwei oder mehrere Stoffe im flüssigen Zustande vereinigt, so kann der Fall eintreten, daß sie sich in allen ihren Teilen miteinander vermischen, welchen Zustand man als „homogene" Schmelzen bezeichnet; ihre Einzelbestandteile sind ineinander vollkommen gelöst. Es kann aber auch sein, daß die flüssigen Einzelbestandteile sich voneinander trennen, etwa wie Wasser und öl, welchen Zustand man als den der vollständigen Unlöslichkeit anspricht. Zwischen diesen beiden Zu"'0 ro 20 30 g „

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Vergleiche lassen sich jedoch nicht ziehen. Der Wasserstoff kann durch das Eisen hindurch diffundieren; auf einer solchen Aufnahme beruht die Beiz-, brüchigkeit des Eisens, indem beim Eintauchen in verdünnte Säuren zum Zwecke der Reinigung von Drähten und Blechen Wasserstoff aufgenommen wird, der das*Eisen spröde macht. Die Sprödigkeit kann durch Ausglühen wieder beseitigt werden. Versuche von B a k e r und L a n g 3 ) ergaben, daß die Zug- und Scherfestigkeit beizbrüchiger Drähte keinen Anhalt für ihre Minderwertigkeit gibt. Dagegen äußert sich das ungünstige Verhalten des Beizgutes bei Biege- und Schlagbeanspruchung; allerdings ist die Querschnitts-' Verminderung beim Zerreißversuch infolge der Sprödigkeit verringert. Die beiden Forscher stellten durch einstündiges Beizen eine Verminderung der Hadfield, Stahl und Eisen, 1914, S. 1828. Goerens und Paquet, Stahl und Eisen, 1915, S. 1136. 3) Baker und Lang, Journal of the Society of Chemical Industry, 1906; Stahl und Eisen, 1907, S. 149. 2)

176 Biegezahlen um 30 bis 40% fest. Die Einwirkung der Säuren ist um so stärker, je dünner der Draht ist, weil sich die Wasserstoffaufnahme bei geringen Querschnitten über einen größeren Teil erstreckt. Nach L e d e b u r 1 ) sind die gehärteten und angelassenen Stähle gegen die Einwirkung des Beizens besonders empfindlich. Wird ein gebeizter Draht längere Zeit an trockenem Orte gelagert, oder wird er auf mäßige Temperatur, ungefähr 1200, erhitzt, so entweicht der aufgenommene Wasserstoff wieder, und die guten Eigenschaften des Materials kehren zurück, ein Sprödigkeitsrest, d. h. also eine dauernde Veränderung bleibt nicht bestehen. Bei höheren Temperaturen wird das Gefüge durch den Wasserstoff aufgelockert, es treten Risse ein, das Material wird brüchig. Hierbei ist an den Kristallgrenzen ein dunkler Gefügebestandteil sichtbar. Die Wasserstoffaufnahme wird vom Mangan scheinbar begünstigt, vom Kohlenstoff vermutlich herabgedrückt. Trotz der außerordentlichen Wichtigkeit für die chemische Industrie liegen systematische Versuche großen Stils nicht vor. b) C h e m i s c h e V e r b i n d u n g e n . Außer den Gaslösungen treten auch chemische Verbindungen zwischen den Gasen und Metallen auf, z. B. zwischen Stickstoff und Magnesium und Aluminium. Der Sauerstoff der Luft verbindet sich mit Kupfer zu Kupferoxydul (Cu 2 0), das sich bei der Erstarrung der Schmelze vom Kupfer trennt. Bei Bronzen tritt durch den Sauerstoff Zinnsäure (SnOj) auf, die als dünne Häutchen in der Schmelze herumschwimmt. Beim Erhitzen von Eisen in Ammoniakgas erhält man ein mit ungefähr 1% Stickstoff angereichertes und dadurch bis zu einem gewissen Grade rostsicheres Metall, über dessen Eigenschaften, d. h. ob der Stickstoff in ihm gelöst oder in Form einer chemischen Verbindung vorhanden ist, noch keine Klarheit besteht. Der Stickstoff beeinflußt die Festigkeit des Eisens nach Versuchen von T s c h i s c h e w s ki 2 ) beträchtlich. Das Eisen wird spröde, wie Abb. 134 dartut; die magnetischen Eigenschaften verschlechtern sich auch, indem die Permeabilität kleiner und die Hysteresis und Koerzitivkraft größer werden. Eisen mit 4% Silizium hat nach Versuchen von S t r a u ß 3 ) nach dem Nitrieren gleichbleibende Koerzitivkraft bei wachsender Hysteresis. Beim Glühen nitrierter Stahlproben tritt bei 520° eine Zersetzung des Eisennitrids ein, und bei Gegenwart von Wasserstoff entweicht der Stickstoff schon von 400° an in Gestalt des Ammoniaks. In hochstickstoffhaltigem Eisen wird das Gefüge durch das Gas beeinflußt, indem man zwischen den Kristallgrenzen einen dunklen Bestandteil erkennen kann. S t r o m e y e r 4 ) untersuchte zahlreiche spröde Kesselbleche und fand Durchschnittsgehalte von 0,004 bis 0,016% x

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Ledebur, Eisenhüttenkunde. Tschischewski, Stahl und Eisen, 1916, S. 147. Strauß, Stahl und Eisen, 1914, S. 1817. Stromeyer, Iron Age, 1910, S. 858; Stahl und Eisen, 1910, S. 1805.

177 Stickstoff je nach der Herstellungsart. Nach den Angaben von S t r a u ß «nthält Bessemer- und Thomasstahl 0,012 bis 0,030% Stickstoff, dagegen Siemens-Martinstahl 0,001 bis 0,008%; bei Einsatzstahl findet sich 0,01 bis 0,10%. Bei verschiedenen Elektrostählen betrug nach Untersuchungen von Goerens und P a q u e t 1 ) der Stickstoffgehalt bis 0,014%. Es sei hier bemerkt, daß die Untersuchung auf den im Eisennitrid vorhandenen Stickstoffgehalt zurzeit wohl die einzige Methode ist, um annähernd zu entscheiden, ob ein Thomas- oder Martinmaterial vorliegt; ersteres enthält für gewöhnlich %

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QT2%Sf,c*sfoff Abb. 134. Abhängigkeit der Festigkeitseigenschaften vom Stickstoff-Gehalt bei weichem Flußeisen.

mehr Stickstoff als letzteres. Ein durchaus sicherer Schluß läßt sich jedoch nicht ziehen, ebensowenig wie ein Vergleich der einzelnen Herstellungsverfahren an Hand der angegebenen Zahlen möglich ist. Ähnlich wie Bronze und Kupfer kann auch Eisen aus der Luft Sauerstoff aufnehmen, der sich mit dem Metall verbindet. Diese Verbindungen erzeugen den sog. Rotbruch; sie bestehen vermutlich aus Eisenoxydul oder dessen Zwischenstufen. Nach L e d e b u r genügen für die Erzeugung des Rotbruches 0,1% Sauerstoff, allerdings haben O b e r h o f f e r und Huart 2 ) ein Eisen, das ungefähr 0,14% Sauerstoff in Gestalt von Eisenoxyduleinschlüssen enthielt, bei 9000 gut und ohne Rotbruch schmieden können. Hierbei zeigten sich die Einschlüsse plastisch und wurden lang gestreckt. Über die chemische Natur der Einschlüsse ist, wie oben bereits gesagt wurde, noch wenig bekannt; *) Goerens und Paquet, Stahl und Eisen, 1915, S. 1136. a) Oberhoffer und Huart, Oberhoffer, Das schmiedbare Eisen, Berlin, 1920. M a l i e r , Materialprüfung.

12

178 ebenso befinden wir uns über das sonstige Verhalten der oxydischen Einschlüsse noch im unklaren. P i c k a r d und Potter 1 ) haben eine Reihe saurer und basischer Siemens-Martinstähle mit 0,1 bis 1,6% Kohlenstoff auf ihren Sauerstoffgehalt nach dem Ledeburschen Verfahren untersucht und Gehalte gefunden, die zwischen 0,003 und 0,044% schwankten. Abgesehen von dem Sauerstoff, der in das flüssige Eisen eingedrungen ist, tritt beim Verbrennen des Metalles, d. h. bei einem Glühen in hohen Wärmegraden unter Luftzutritt eine Sauerstoffaufnahme auch ein. Die Eisenkristalle werden von nichtmetallischen Einschlüssen umgeben, die aus zwei Oxydationsstufen bestehen. Durch diese Einhüllung verlieren die Kristalliten ihren Zusammenhang, %

Abb. 133. Abhängigkeit der durchschnittlichen Seigenmg vom Blockquenchnltt.

das Eisen ist spröde und verdorben. Eine Regenerierung ist im Gegensatz zu einem rein überhitzten Eisen nicht möglich, weil sich die Oxydationseinschlüsse nicht mehr entfernen lassen. Als Mittel gegen den Rotbruch wird Mangan angegeben, das den Sauerstoff leichter ausscheiden läßt. Sauerstoffhaltiges Flußeisen erfährt durch Silizium eine Verringerung der Schmiedbarkeit.

10. Seigerungen. Die Seigerungen des Stahles stellen sich als Quellen großer Unzuträglichkeiten heraus, so daß sie ernstester Beachtung bedürfen, weil sie sich in der Hauptsache auf Schwefel, Phosphor, Kohlenstoff und Mangan beziehen. Nach Untersuchungen von T a l b o t 2 ) verhielten sich bei Blöcken die größten Seigerungen gegenüber den Gehalten der Schmelze folgendermaßen: M n : C : P : S = 135:250:379:437. *) Picl^ard und Potter, Stahl und Eisen, 1915, S. 146; Iron and Steel Institute, 1915. *) Talbot, Iron and Steel Institute, 1905; Martens-Heyn, Handbuch der Materialienkunde für den Maschinenbau, Bd. II A, S. 104.

179 Schwefel und Phosphor seigern also am stärksten, Silizium dagegen fast gar nicht. Reine Metalle und eutektische Legierungen seigern überhaupt nicht, solche dagegen am stärksten, die am längsten flüssig bleiben; mit der Masse des Gußstückes steigt demnach auch die Stärke der Seigerungen. Da das Seigern auf einer Entmischung beruht, wie dies bereits früher ausgeführt wurde, so läßt es sich durch möglichst schnelle Abkühlung einschränken. Howe 1 ) fand, daß die Seigerungen aus diesem Grunde mit der Blockgröße zunehmen, wie aus Abb. 135 hervorgeht. Die Seigerung des schmiedbaren Eisens geht in folgender Weise vor sich: das flüssige Eisen wird in eine Eisenform (Kokille) gegossen, die auf dem Boden durch eine Eisenplatte abge-

schlossen ist. Infolge des höchsten Erstarrungspunktes des reinen Eisens erstarrt dieses zunächst an denjenigen Stellen, wo seine Erstarrungstemperatur zuerst erreicht wird, und zwar an den Kokillenwänden und am Boden. Durch das Ausscheiden von reinen Eisenkristallen wird der Rest der Schmelze an Fremdbestandteilen angereichert, wodurch deren Erstarrungspunkt sinkt. Bei den weiter abnehmenden Temperaturen erstarrt alsdann jeweils Eisen, vermehrt um die Menge der Fremdbestandteile, die der jeweiligen Erstarrungstemperatur entspricht. Es wird also mit abfallender Erstarrungstemperatur von den Wänden nach dem Kerne zu eine allmähliche Anreicherung an Fremdbestandteilen zu beobachten sein, wobei der jeweils überschüssige Teil der Fremdstoffe weiter nach dem Kerne zu gedrängt wird. Im Kern wird also *) Howe, Transactions of the American Institute of mining Engineers, 1909, S. 909.

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180 die stärkste Seigerung auftreten, und zwar nicht in der mittleren Höhe des Blockes, sondern im oberen Teil, weil die Abkühlung der Oberfläche durch die Luft verhältnismäßig langsam von statten geht. Abb. 136 gibt einen Einblick in diese Verhältnisse nach den angeführten Versuchen von T a l b o t . Neben dieser Blockseigerung hat O b e r h o f f e r 1 ) noch eine „Gasblasenseigerung" festgestellt, die in kleinen Zonen, angrenzend an Gasblasen, auftritt. Die Ursache dieser Gasblasenseigerungen ist noch unbekannt. Bei dem Zerreißversuch findet man des öfteren im Flußeisen eine eigentümliche Brucherscheinung, scharf abgegrenzte Bänder ziehen sich durch den Bruchquerschnitt hindurch, der dadurch ein schieferartiges Aussehen

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Abb. 137. Abhängigkeit der Brinell-Hlrte von der Seigerung einer FluBelsenwelle.

Abb. 138. Abhängigkeit der Dauerschlagiahl von der Seigening.

erhält. Dieser sog. „Schieferbruch" ist vermutlich eine Folge der Phosphorseigerungen. Der Einfluß der Seigerungen würde nicht so einschneidend sein, wenn, wie schon aus den vorhergehenden Abschnitten über die Einwirkung der Fremdstoffe hervorgeht, die mechanischen Eigenschaften der Seigerungszone denen des reinen Metalles gleich wären; dies ist jedoch nicht der Fall, vielmehr bedingt die Seigerung eine Sprödigkeit des davon betroffenen Eisenteiles, die sich hauptsächlich bei einer Schlagbeanspruchung in ungünstiger Weise äußert. Wüst und F e l s e r 2 ) fanden, daß die statischen Festigkeitseigenschaften keine sehr erheblichen Unterschiede für die Seigerungszone zeigen; allerdings ist die Dehnung und die Kontraktion etwas geringer. Die Entmischung tut sich jedoch in verstärktem Maße bei der Kerbzähigkeitsprüfung mit dem Charpyschen Pendelhammer oder auch mittelst der Heynschen Biegeprobe kund. Heyn 8 ) konnte folgende Werte an einer Pleuelstangenschraube aus Flußeisen feststellen: x ) *) ') Bd. I I

Oberhoffer, Stahl und Eisen, 1916, S. 798. Wüst und Felser, Stahl und Eisen, 1910, S. 2154. Heyn, Martens-Heyn, Handbuch der Materialienkunde für den Maschinenbau, A, S. 255.

181 as aB 6 Bz (n. Heyn) Randzone 25,8 39,6 25,3 3 Kernzone (Seigerung) 27,3 43,9 24,9 1 Abb. 137 gibt die Abhängigkeit der Brinell-Härte von der Seigerung bei einer Flußeisenwelle nach Versuchen von D o r m u s 1 ) . Die Wirkung einer stoßweisen Beanspruchung tritt nach Abb. 138 auch bei der Dauerschlag-

Abb. 139.

FluBeisen mit P-Seigerangen. verfahren nach Heyn.)

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Abb. 14a. FluQelsea mit P-Seigeningea. (Atzverfahren nach Rosenbain-Oberhoffer.)

Abb. 14t. Schweißeisen. (Ätzverfahren nach Heyn.)

¡s^' m A b b . 142. FluDeisen mit S-Seigerungen. (Bromsilberverfahren nach Baumann.)

Abb. 143. FluBeisen mit S-Sefgermigen. (Seidenläppchenverfahren nach Heyn und Bauer.)

probe nach Krupp zutage, und hieran lassen sich gut die Gefahren für Wellen und Achsen erkennen, bei denen im Durchmesser abgesetzte Teile vorhanden sind. Falls die Übergänge nicht gut abgerundet werden oder sogar das Absetzen bis in den geseigerten Kern hinein vorgenommen ist, können sehr leicht Dauerbrüche eintreten, die um so schneller zur vollständigen Zerstörung führen, je größer die Seigerungszone im Verhältnis zum Außendurchmesser ist. Für gewöhnlich erfolgt der erste Anriß an einer Stelle des Umfanges, sei es durch einen Schlackeneinschluß, eine Drehriefe oder sonstwie hervorgerufen, undL setzt sich von hier aus langsam bis zur spröden Seigerungszone fort; der vollständige Bruch durch diese hindurch geschieht darauf sehr schnell. *) Dormus, Stahl und Eisen. 1 9 1 1 , S. 398.

182 Aus den angeführten Gründen ist es notwendig, den geseigerten Teil des Gußblockes zu entfernen, weil sich sonst die Seigerungszone beim Auswalzen und Ziehen sogar bis in den dünnsten Draht fortsetzt. Bei Schweißeisen kommen derartige Seigerungszonen infolge der besonderen Herstellungsweise nicht in Betracht. Ätzt man Fluß- oder Schweißeisen mit Kupferammoniumchlorid, so tritt bei ersterem die Seigerungszone deutlich hervor. Die äußere Gestalt, ob viereckig oder rund, läßt in vielen Fällen noch nachträglich die Form der Gußkokille erkennen. Schweißeisen zeichnet sich gegenüber dem Flußeisen durch ein in der Herstellungsart begründetes, schlieriges Aussehen aus. In den Abbildungen 139 bis 143 sind die Ergebnisse der hauptsächlichsten makroskopischen Untersuchungsmethoden zusammengestellt. Abb. 139, 140 und 142 beziehen sich auf die gleiche Probe. 1 1 . Schlackeneinschlüsse. Neben den Gasblasen und Seigerungen bilden die Schlackeneinschlüsse eine dritte Art der Erkrankung des Materials. Die Schlackeneinschlüsse kommen bereits beim Abstich des Stahles in die Pfanne in ihn, indem einmal Teilchen der Ofenwände mitgerissen werden, andrerseits aber auch das flüssige Metall mit der Luft in Berührung kommt. Der Schlackengehalt richtet sich in seiner Höhe im allgemeinen nach dem Herstellungsverfahren, sofern irgendwelche Zufälligkeiten ausgeschlossen sind. Eine wissenschaftliche Methode zur Erkennung des Stahlherstellungsverfahrens besteht bisher noch nicht, wenn man auch weiß, daß guter Tiegelstahlguß und Elektrostahl nur sehr wenig, Martin- und Thomasmaterial dagegen mehr Schlacke besitzen, und in kohlenstoffarmem Flußeisen sich ebenfalls mehr Schlacke befindet als in kohlenstoffreichem Stahl. Die Schlackeneinschlüsse sind unter Umständen von großem Einfluß auf die Festigkeitseigenschaften, weil sie durch den Warmwalzprozeß in der Walzrichtung ausgereckt werden. Aus diesem Grunde findet man, daß Flußeisen quer zur Walzrichtung eine geringere Festigkeit besitzt als längs zu ihr, während ich1) für Kupfer infolge der kaum nennenswerten Einschlüsse an Kupferoxydul eine Festigkeit fand, die quer zur Walzrichtung größer war als längs zu ihr. Das letztere hängt mit der allgemeinen Ursache des Kaltbruches zusammen. Bei Dauerbeanspruchung kann, wie bereits vorher ausgeführt wurde, der Anriß von einem Schlackeneinschluß seinen Anfang nehmen; ebenso sind die Einschlüsse auch von Einfluß auf die Kristallisationsvorgänge, worauf bereits bei Besprechung der Zeilen- und Netzstruktur hingewiesen wurde. Man unterscheidet oxydische und sulfidische Schlacke, die erstere ist gelblich-braun bis hellgrau, die letztere dagegen dunkelgrau bis schwarz. Praktisch kommt der gesamte Schwefelgehalt in Form von sulfidischen Einschlüssen vor. Mfiller, Verein deutscher Ingenieure, Forschungshefte, Nr. 2 1 1 .

183 Hinsichtlich der Art der Schlackenteilchen möge noch allgemein bemerkt sein, daß wir Segregationseinschlüsse und Suspensionseinschlüsse unterscheiden können; die ersteren zeichnen sich durch ihre anfängliche Löslichkeit in der Schmelze aus, aus der sie nach den allgemeinen Gesetzen auskristallisieren; die Suspensionseinschlüsse sind nicht löslich.

C. Die ternären Sonderstähle. 1. Die Nickelstähle. Der Zusatz von Nickel zum Kohlenstoffstahl hat sich als eine bemerkenswerte Errungenschaft der Legierungstechnik erwiesen. Die Folgen eines Nickelzusatzes sind sehr vielgestaltig; der Stahl wird außerordentlich stark %M •30

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verändert nicht nur in seinem Gefügeaufbau, sondern auch in seinen Eigenschaften, wodurch der Konstrukteur ein für zahlreiche Konstruktionen gut geeignetes Material erhält. Eisen und Nickel lösen sich im flüssigen und festen Zustand ineinander, dagegen wird bei der Erstarrung der Kohlenstoff in Form von Graphit vom Nickel wieder abgestoßen, so daß wir also von einer Unlöslichkeit zwischen beiden im festen Zustande sprechen müssen. Infolgedessen und auf Grund der Tatsache, daß chemische Verbindungen zwischen Nickel und Kohlenstoff scheinbar nicht stattfinden, tritt das Karbid der Nickelstähle nur als reines Eisenkarbid auf. Dieses besitzt ein größeres Lösungsvermögen für die feste Eisennickellösung, als für das reine Eisen, so daß hierdurch die feste Lösung Fe^—Ni—Fe (Martensit bzw. Austenit) beständiger ist als die gewöhnliche feste Lösung Fe 3 C—Fe. Der Perlit der Nickelstähle enthält nach W a t e r h o u s e 1 ) nur 0,7% Kohlenstoff. l)

Waterhouse, Engineering, 1905, S. 671.

184 Die Strukturformen, die in den Nickelstählen auftreten, sind auf Grund, zahlreicher Versuche von G ü i l l e t 1 ) in einem Schaubild (Abb. 144) zusammengestellt. Je nach dem Nickel- und Kohlenstoffgehalt ist das Nickel entweder im Ferrit gelöst oder befindet sich mit allen anderen Komponenten in fester Lösung unter Bildung der ternären Mischkristalle Martensit und Austenit. Zwischen den Hauptstrukturarten Perlit und Ferrit oder Zementit, Martensit und Austenit, welch letzterer wegen seiner regelmäßigen Kornbegrenzungen auch unter dem Namen Polyeder bekannt ist, befinden sich Übergangszonen, die troostistischer Natur sind bzw. aus einem Gemisch von Martensit und Austenit bestehen. Die perlitischen Stähle ähneln also ihrem Gefügeaufbau 1000 600

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nach den gewöhnlichen untereutektoiden Kohlenstoffstählen, während die martensitischen Stähle den abgeschreckten Kohlenstoffstählen entsprechen; die austenitischen Polyeder sind mit zahlreichen Zwillingsbildungen durchsetzt. Die thermischen Umwandlungen vollziehen sich nach Abb. 145, welche Kurven von'Osmond 2 ) an Nickelstählen mit 0,16% Kohlenstoff aufgestellt wurden. Beachtenswert ist hierbei das Sinken des Perlitpunktes Arx mit zunehmendem Nickelgehalt, während der kritische Punkt der magnetischen Umwandlung Ar2 ebenfalls mit dem Nickelgehalt abnimmt. Die y—ß- und die ß—a-Umwandlung treffen sich bei ungefähr 5 % Nickel. Es hat sich nun gezeigt, daß von ca. 10% Nickel ab die Linie Ar1 besonders stark abfällt, bis sie bei rd. 25% bei einer Temperatur von 270 anlangt. Der Verlauf der Linien geht aus Abb. 146 links hervor, welche beiden Linienzüge zugleich auch die magnetische Umwandlung darstellen. Das Schaubild entstammt ') Guillet, Alliages Métalliques, Paris, S. 267. *) Osmond, Comptes rendus, 1894, S. 553.

185 ebenfalls Versuchen von O s m o n d . Bei rd. 25% Nickel hört also die Möglichkeit des Zerfalles des Martensits und Austenits bis zur Zimmertemperatur auf, so daß alle Stähle über 25% Nickel keinen Zerfall der festen Lösung erleiden. Hierdurch ist infolge der geringen Kristallisationsgeschwindigkeit die Möglichkeit der Unterkühlung gegeben. Man spricht in diesem Falle von „selbsthärtenden" Stählen, die einer Abschreckung nicht bedürfen. Abb. 146 stellt aber auch in dem Gesamtverlauf ihrer Kurven die magnetischen Eigenschaften des Nickelstahles dar. Bis zu 25% Nickel finden wir, daß die Hysteresis der Punkte A2 um so stärker zunimmt, je höher der Nickelgehalt ist; von 25% Nickel ab ist sie jedoch außerordentlich gering. Nimmt man also z. B. einen Stahl mit 20% Nickel und kühlt ihn ab, so wird er erst bei ca. 800' •c

Abb. 146. Magnetische Umwandlung von Ni-SUhlen mit 0,07 0,68 •/• C.

magnetisch. Beim Wiedererwärmen verliert er den Magnetismus erst bei ungefähr 6oo°. Bei den hochnickelhaltigen Stählen fallen dagegen diese Punkte fast zusammen. Wir sind also in der Lage, die Nickelstähle bis zu 25% Nickel im magnetischen und unmagnetischen Zustande zu erhalten; daher nennen wir diese Stähle „irreversible", diejenigen mit über 30% Nickel aber „reversible", weil bei ihnen die magnetischen Umwandlungspunkte der Abkühlung und Erhitzung nahezu zusammenfallen. Es möge noch darauf hingewiesen sein, daß ähnlich der Hysteresis der Punkte A2 auch diejenigeder Punkte A1 mit wachsendem Nickelgehalt zunimmt; so finden wir z . B . für Arx = 640°, Acx = 7350, 0 und für Arx = 27 , Ac± = 5400. Wir haben also eine Übereinstimmung mit der magnetischen Umwandlung. Das spezifische Gewicht nimmt im allgemeinen mit wachsendem Nickelgehalt zu. Sowohl nach Versuchen von H a d f i e l d 1 ) (Abb. 147) wie nach. x)

Hadfield, Prov. Inst. Civ. Eng., 1899, S. 1.

186 G u i l l a u m e 1 ) wächst das spezifische Gewicht bei geringem wie hohem Nickelgehalt besonders stark an, um für das reine Nickel einen Wert von 8,750 zu erreichen. Der lineare Ausdehnungskoeffizient wird ebenfalls durch den Nickelzusatz zum Stahl sehr beeinflußt. G u i l l a u m e stellte bei den oben erwähnten Versuchen folgende Beziehungen zwischen o und 38° auf: bei 0,0% Ni (10,354 + 0,00523 • t) • io" „ 26,2 „ „ (13,103 + 0,02123 ' i ) ' I 0 ~ „ 28,7 „ „ (10,387 + 0,03004 • t) •1035.6 „ „ (0,877 + 0,00127 • t) - io" „ 100,0 „ „ (12,661 -j- 0,00550 • /) • 10" Bei ungefähr 36% Nickel besteht also die geringste Ausdehnung, dieser Stahl heißt „Invarstahl". 46% Nickel geben einen Ausdehnungskoeffizienten, welcher dem des Platin ähnlich ist; letzterer beträgt 8,84-io" 6 . *

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Abb. 147. Abbingifkrit de* »petifiicben Gewicht« vom Ni-Gehalt bei Ni-Stahlen mit eo 0,17*/, C.

Nickel gibt dem Stahl eine größere Widerstandsfähigkeit gegen Korrosion. Ein Stahl von 25% Nickel und darüber ist praktisch rostfrei. Die mechanischen Eigenschaften zeigen zunächst eine Beeinflussung des Elastizitätsmoduls, indem dieser nach Versuchen von mir 2 ) Abnimmt, wie aus Abb. 148 hervorgeht. Die Abnahme verläuft ungefähr geradlinig. Nach G u i l l a u m e erreicht der Elastizitätsmodul für 37% Nickel einen Mindestwert von 1460000 kg/qcm, um mit höherem Nickelgehalt wieder anzusteigen, weil reines Nickel einen solchen von 2160000 kg/qcm hat. Aus Abb. 149 und 150 nach Versuchen von Guillet 8 ) geht die Veränderlichkeit der Festigkeitseigenschaften mit wachsendem Nickelgehalt hervor. Wir erkennen deutlich, daß die Eigenschaften sich nach der Strukturform richten. Perlitische Stähle haben geringe Festigkeit und Härte neben mittlerer Dehnbarkeit; sie ähneln den gewöhnlichen Kohlenstoffstählen, man kann jedoch nach Waterhouse 4 ) bei 0,2 bis 0,5% Kohlenstoff für je 0,1% Nickel eine Festigkeitszunahme von 0,4 bis o,6kg/qmm bei einer Dehnungsabnahme *) 2) ') *)

Guillaume, Bull. d'Enc., 1898, S. 261. Maller, Verein deutscher Ingenieure, Forschungshefte, Nr. 247. Guillet, Alliages Métalliques, S. 267. Waterhouse, Iron and Steel Institute, 1905, S. 376.

187 von o,2% annehmen. Die martensitischen Stähle besitzen eine außerordentliche Festigkeit und Härte neben geringer Dehnbarkeit. Sie sind also sehr spröde, ähneln den abgeschreckten Kohlenstoffstählen und sind daher für gewöhnlich nicht verwendbar. Die austenitischen polyedrischen Stähle be/y/fCm

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Abhängigkeit des Elastizitätsmoduls vom Ni-Gehait bei Ni-Stählen.

sitzen hohen Widerstand gegen Abnutzung, hohe Festigkeit und ausgezeichnete Dehnbarkeit und sind demgemäß als zäh anzusprechen. Die Abhängigkeit der Schlagfestigkeit vom Nickelgehalt zeigt einen bemerkenswerten Unterschied je nach der Höhe des Kohlenstoffgehaltes, weil ein Stahl mit 0,8% Kohlenstoff bereits bei 5% Nickel martensitisch wird. Auch bei ihr grenzen sich die Eigenschaften scharf nach dem Gefüge ab, wie

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auch bei einer Abkühlung auf die tiefe Temperatur der flüssigen Luft, wie Versuche von Guillet 1 ) zeigten), werden die perlitischen Stähle bis 0,5% Kohlenstoff und 3% Nickel bei 7500 bis 8oo° gehärtet, bzw. bei 700 bis 9000 geglüht; um die martensitischen Stähle von 6 bis 10% Nickel weich zu erhalten, kann man kein normales Ausglühen verwenden, da sie ja bei der Abkühlung martensitisch bleiben würden, sondern man muß sich in diesen Fällen mit einer Anlaßbehandlung unterhalb des ^-Punktes bei ungefähr 400 bis 6oo° begnügen. Für die polyedrischen Stähle kommt eine Wärmebehandlung überhaupt nicht in Betracht, weil die Struktur nicht verändert werden kann; zur Erzielung höherer Festigkeitswerte ist nur die Kaltbearbeitung geeignet. Ein Vergüten ändert die Nickelstähle mehr als die Kohlenstoffstähle. Auf Grund der angeführten Eigenschaften werden perlitische Stähle wegen ihres guten Fließvermögens neben beachtenswerter Festigkeit *) Guillet, Alliages Mfetalliques, 1906, S. 269.

190 viel gebraucht. Die polyedrischen Stähle werden infolge ihrer hohen Zähigkeit bis 30% und mehr Nickelgehalt verwendet; man benützt sie vielfach infolge ihrer unmagnetischen Eigenschaft sowie ihres hohen elektrischen Widerstandes, ihrer niedrigen Wärmeausdehnungszahl und der großen Beständigkeit gegen Rostangriffe für zahlreiche Spezialzwecke. Hierher gehören die Legierungen mit rd. 35 bis 38% Nickel und 0,3 bis 0,5% Kohlenstoff, die als „Invar" bekannt sind. Derartig hochnickelhaltige Stähle (bis 35%) verwendet man für Ventile von Verbrennungsmotoren, weil sie gegenüber den hohen Temperaturen sehr widerstandsfähig sind. 42proz. Nickelstahl besitzt eine VoMir t* fZ 10 8 f *

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größere Stabilität hinsichtlich der Längenänderung und wird daher für Längennormalmaße und söproz. Nickelstahl für Meßzwecke benutzt, weil beide besonders korrosionsbeständig sind und Temperaturkorrektionen wegen der Übereinstimmung ihrer Wärmeausdehnung mit der des gewöhnlichen Stahles unnötig machen. Nickelstahl mit 46% Nickel heißt „Platinit" und besitzt den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie Platin. Die troostitischen Übergangsstähle dienen vielfach zu Zementationszwecken, weil die durch den Einsatzprozeß gebildete martensitische Oberfläche eine Abschreckung nicht nötig macht, was ein Verziehen vermeiden läßt. 2. Die Manganstähle. In den Manganstählen treten ähnliche Strukturformen auf wie in den Nickelstählen. Auch sie wurden von Guillet 1 ) in Abhängigkeit vom ManganGuillet, Metallurgie, 1906, S. 271.

191 und Kohlenstoffgehalt schaubildlich aufgetragen, wie aus Abb. 153 hervorgeht. Man unterscheidet hier ebenfalls 3 Zonen, welche die perlitischen, martensitischen und austenitischen Stähle umfassen und durch Übergangsgebiete voneinander getrennt sind, in denen troostitisches Gefüge bzw. ein m 700 % eoo •è Ì> 500 S { M « ¿00 ¿ffoo

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Abb. >24. Umwandlungsptmltte bei der Abkühlung von Mn-Stlhlen mit cvi o,a % C.

Gemisch von Martensit und Austenit besteht. Die Polyeder stellen eine feste Lösung aller Bestandteile dar, und zwar setzen sich diese ternären Mischkristalle aus Fe, F e ^ und Mn3C zusammen. Der Perlit wird durch den Mangangehalt verfeinert; außerdem drückt Mangan den eutektischen Kohlenstoffgehalt herunter, so daß er bei ungefähr 2 % Mangan *e m nur noch 0,75% beträgt. Ferrit und Perlit enthalten Mangan in gelöster Form. Ahnlich wie ein Nickelgehalt wirkt auch Mangan auf die Umwandlungspunkte. Abb. 154 gibt den Verlauf der Punkte Arx und Ars mit wachsendem Mangangehalt für Stähle mit 0,2% Kohlenstoff nach Versuchen von Osmond 1 ). Ars sinkt danach schneller n u%Mi als Arx\ beide fallen von ungefähr 3 % Mangan ab zusammen. Bei 7 % Mangan fällt Arx bereits unter Abb. 135. Abhängigkeit dar Zimmertemperatur, so daß bei diesem Wärmegrad Temperatur der magnetischen Umwandlung vom Mn-Gehalt die feste Lösung beständig ist. Diese Stähle sind bei Mn-Stählen mit 0,1-^-0,a%C. also selbsthärtende. Nach Versuchen von D e j e a n 2 ) scheint die Abnahme von Arx mit wachsendem Mangangehalt um so stärker zu sein, je geringer der Kohlenstoffgehalt ist, während Ara lediglich eine Parallelverschiebung erfährt derart, daß ein höherer Kohlenstoffgehalt tiefere Werte ergibt. Die Hysteresis Acx—Arx nimmt mit steigendem Mangangehalt stark zu und beträgt z. B. für einen i2proz. Stahl nach Le Chatelier und

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Osmond, Comptes rendus, 1897; Guillet, Alliages Métalliques, 1906, S. 311. *) Dejean, Comptes rendus, 1920, S. 791.

192 Hadfield ungefähr 6oo°. Dieses Verhalten geht auch aus Abb. 155 nach Gumlich 1 ) hervor, welcher Versuche hinsichtlich der magnetischen Umwandlungen ausführte. Nehmen wir hiernach z. B. einen Stahl mit 10% Mangan fy/fcm 22MIMT

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Abb. 136. Abhängigkeit de» Elastizitätsmoduls vom Mn-Gehalt bei Mn-Stählen.

an, so kann dieser einmal in der Form der festen Lösung magnetisch oder unmagnetisch sein, jedoch in Gestalt von Ferrit und Perlit magnetisch; wir haben also hier eine irreversible Legierung. f/er/maaig „ 'cPäMe SteMe

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194 Die scharfe Abgrenzung der Eigenschaftswerte nach dem Gefüge tut sich auch bei abgeschreckten Stählen kund. Wie aus Abb. 158 hervorgeht, hat nach den Versuchen von H a d f i e l d 1 ) bei Stählen bis zu ungefähr 1 0 % Mangan eine Wasser- bzw. ölabschreckung keinen großen Einfluß aüf die Festigkeit und Dehnbarkeit. Bei den höher manganhaltigen, austenitischen Stählen dagegen bewirkt eine Wasserabschreckung eine beträchtliche Festigkeits- und Dehnungssteigerung, die intensiver ist als bei einer ölabschreckung. Erst bei Mangangehalten ,die über 20% liegen, scheinen sich die Werte wieder zu nähern. Ab. 159 läßt die Abhängigkeit der Schlagfestigkeit vom Mangany/mrr m J „

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